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Verfahren zum Regeln einer Kernreaktoranlage und Kernreaktoranlage
zum Durchführen des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Regelung einer Kernreaktoranlage mit mindestens einem Zwangdurchlaufdampferzeuger,
bei dem die Arbeitsmittelzufuhr zum Dampferzeuger sowohl von der Dampftemperatur
als auch von der Temperatur des aus dem Dampferzeuger austretenden Reaktorkühlmittels
beeinflußt wird.
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Bei dem bekannten Verfahren sind zwei Regelkreise vorhanden, von denen
der eine die Dampfaustrittstemperatur durch Beeinflussen der dem Dampferzeuger insgesamt
zugeführten Arbeitsmittelmenge und der andere die Kühlmittelaustrittstemperatur
durch Verteilen der gesamten Arbeitsmittelmenge auf verschiedene Heizflächen des
Dampferzeugers regeln soll, wobei die Einstellung der Gesamtarbeitsmittelmenge und
die Arbeitsmittelverteilung durch je ein Stellorgan erfolgen. Dabei wirken die beiden
zu regelnden Temperaturen stets gleichzeitig auf die Stellorgane, und es bleiben
der Temperaturverlauf des Dampfes in Abhängigkeit von der Arbeitsmittelmenge einerseits
und der Temperaturverlauf des Kühlmittels am Dampferzeugeraustritt in Abhängigkeit
von der Arbeitsmittelmenge andererseits unberücksichtigt. Daraus ergibt sich, daß
sich die Einwirkungen der beiden Regelkreise auf den Arbeitsmittelfluß gegenseitig
stören, so daß kein gutes Regelverhalten erzielt werden kann. Bei einer Leistungserhöhung
der Reaktoranlage können überdies Strömungsinstabilitäten des Arbeitsmittels auftreten,
wenn die Dampfaustrittstemperatur und die Kühlmitteltemperatur am Dampferzeugereintritt
nur wenig voneinander verschieden sind, weil dann die Dampfaustrittstemperatur praktisch
gleichbleibt und damit auch die zugeführte Arbeitsmittelmenge, obwohl diese wegen
der Leistungserhöhung vergrößert werden sollte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren für eine
Reaktoranlage mit mindestens einem Zwangdurchlaufdampferzeuger zu schaffen, wobei
stets ein gutes Regelverhalten erzielt wird, und zwar auch bei Laständerung, ohne
daß sich Strömungsinstabilitäten des Arbeitsmittels ergeben.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Dampftemperatur
einen vorgegebenen Wert unterschreitet, die Arbeitsmittelzufuhr zum Dampferzeuger
überwiegend in Abhängigkeit von der Dampftemperatur und dann, wenn die Temperatur
des aus dem Dampferzeuger austretenden Kühlmittels einen vorgegebenen Wert überschreitet,
die Arbeitsmittelzufuhr zum Dampferzeuger überwiegend in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur
beeinflußt wird. Durch die Erfindung wird also einerseits der Temperaturverlauf
des Dampfes in Abhängigkeit von der Arbeitsmittelmenge und andererseits der Temperaturverlauf
des Kühlmittels am Dampferzeugeraustritt in Abhängigkeit von der Arbeitsmittelmenge
berücksichtigt. In dem Bereich, in dem sich in Funktion der Arbeitsmittelmenge die
Dampftemperatur nur wenig ändert, überwiegt der Regeleinfluß der Kühlmittelaustrittstemperatur,
und in dem Bereich, in dem sich in Funktion der Arbeitsmittelmenge die Kühlmittelaustrittstemperatur
nur wenig ändert, überwiegt der Einfluß der Dampftemperatur. Damit ist stets eine
eindeutige Zuordnung von der jeweils den Regeleinfluß ausübenden Temperatur zu der
zugeführten Arbeitsmittelmenge gegeben, so daß weder Störungen im Regelverhalten
noch Strömungsinstabilitäten des Arbeitsmittels auftreten können.
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Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anlage zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mindestens einem Zwangdurchlaufdampferzeuger,
an dessen Rohrsystem im Bereich des überhitzten Dampfes mindestens ein Temperaturfühler
vorgesehen ist, sowie mit einem am Austritt des Kühlmittels aus dem Dampferzeuger
angeordneten Temperaturfühler, welche Temperaturfühler auf die Arbeitsmittelzufuhr
wirken. Die erfindungsgemäße Anlage ist dadurch gekennzeichnet, daß eine mit den
Temperaturfühlern in Wirkungsverbindung stehende Vorrichtung vorgesehen ist, die
bei Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes für die Dampftemperatur
die
Arbeitsmittelzufuhr in Abhängigkeit der Dampftemperatur und bei überschreiten eines
bestimmten Grenzwertes für die Kühlmitteltemperatur die Arbeitsmittelzufuhr in Abhängigkeit
der Kühlmitteltemperatur über ein und dasselbe Stellorgan einstellt. Die neue Anlage
hat gegenüber der bekannten den Vorteil, daß sie einfacher im Aufbau ist, da sie
kein Verteilorgan, sondern nur ein Stellorgan braucht und wegen des Fehlens eines
Verteilorgans auch weniger Durchdringungen von Arbeitsmittel führenden Leitungen
durch das Dampferzeugergehäuse vorhanden sind.
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Die mit den Temperaturfühlern in Wirkungsverbindung stehende Vorrichtung
weist nach einer Ausführungsform der Erfindung zwei Integrationsorgane auf, von
denen das eine mit dem Dampftemperaturfühler und das andere mit dem Kühlmitteltemperaturfühler
und jedes außerdem mit einem Grenzwerteinstellorgan verbunden ist.
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Eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform der mit den Temperaturfühlern
in Wirkungsverbindung stehenden Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie
ein Integrationsorgan aufweist, auf. das im Sinne einer Summenbildung die von dem
Dampftemperaturfühler und von dem Kühlmitteltemperaturfühler kommenden Signale aufgeschaltet
sind. Diese Ausführungsform ist in ihrem konstruktiven Aufbau einfach und dabei
sehr betriebssicher.
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Die mit der Erfindung zusammenhängenden Probleme werden im folgenden
an Hand des Diagramms in F i g. 1 der Zeichnung erläutert.
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In diesem Diagramm stellt die Abszisse die Größe F aller Heizflächen
eines Dampferzeugers dar, bei dem die Heizflächen im Arbeitsmittelstrom hintereinandergeschaltet
und im Kühlmittelstrom hintereinander so angeordnet sind, daß reines Gegenstromprinzip
verwirklicht ist. Auf der Ordinate des Diagramms sind die Temperaturen des Kühlmittelstromes
und des Arbeitsmittelstromes aufgetragen, und zwar entspricht die ausgezogene Linie
1 dem Temperaturverlauf des Reaktorkühlmittels, das mit der Temperatur tKF in den
Dampferzeuger eintritt, sich in diesem unter Wärmeabgabe an das Arbeitsmittel abkühlt
und mit der Temperatur tKA den Dampferzeuger verläßt. Das Arbeitsmittel durchläuft
nacheinander Heizflächen 3, 4 und 5, in denen es vorgewärmt, verdampft bzw. überhitzt
wird. Die Temperaturzunahme des Arbeitsmittels entspricht dem Verlauf der gestrichelten
Linie 2. Es hat sich gezeigt, daß bei einem überspeisen des Dampferzeugers der Verdampfungsendpunkt
sich verschiebt und die Frischdampftemperatur sich entsprechend der punktierten
Linie 6 in F i g. 1 wesentlich verändert. Bei einem Unterspeisen tritt eine solche
wesentliche Veränderung der Frischdampftemperatur nicht auf, da die Eintrittstemperatur
des Arbeitsmittels begrenzt ist. Andererseits schmiegt sich der Verlauf der Temperatur
des Kühlmittels an dessen Austritt aus dem Dampferzeuger beim Überspeisen ohne große
Änderung an den Temperaturverlauf des Arbeitsmittels an, während der Temperaturverlauf
des Kühlmittels beim Unterspeisen des Dampferzeugers bedeutend vom Temperaturverlauf
des Arbeitsmittels abweicht, wie sich aus der punktierten Linie 7 ergibt.
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Durch die Erfindung werden solche Veränderungen der Arbeitsmitteltemperatur
und der Kühlmitteltemperatur in engen Grenzen gehalten, wobei die einfache Gegenstromanordnung
beibehalten wird. Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung an zwei Ausführungsbeispielen
an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung F i
g. 2 eine Kernreaktoranlage mit Zwangdurchlaufdampferzeuger und Arbeitsmittelzufuhrregelvorrichtung
mit zwei Integrationsorganen und F i g. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel einer
Arbeitsmittelzufuhrregelvorrichtung mit einem Integrationsorgan.
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Bei der Anlage gemäß F i g. 2 sind ein Kernreaktor 10 und ein Dampferzeuger
12 vorgesehen, die über Leitungen 11 und 13 miteinander verbunden
sind. Die im Reaktor 10 entstehende Wärme wird von einem vorzugsweise gasförmigen
Kühlmittel aufgenommen, das mittels einer in der Leitung 13 angeordneten Fördereinrichtung
14, z. B. Gebläse, durch den Reaktor 10, die Leitung 11, den Dampferzeuger
12 und die Leitung 13 zirkuliert. Das erhitzte Kühlmittel gibt im
Dampferzeuger 12 seine Wärme an ein Rohrsystem 17 ab, das von einem verdampfbaren
Arbeitsmittel, vorzugsweise Wasser, durchströmt wird. In dem Rohrsystem 17 wird
das Arbeitsmittel vorgewärmt, verdampft und überhitzt. Das flüssige Arbeitsmittel
strömt über eine Speiseleitung 15 dem Rohrsystem 17 nahe dem Austritt des Reaktorkühlmittels
aus dem Dampferzeuger 12 zu, also an einer Stelle, an der das Kühlmittel seine im
Reaktor aufgenommene Wärme praktisch restlos abgegeben hat. Nahe dem Kühlmitteleintritt
des Dampferzeugers schließt sich an das Rohrsystem 17 eine Frischdampfleitung
18 an, durch die der Dampf zu hier
nicht dargestellten Verbrauchern,
beispielsweise zu einer Turbine, strömt.
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An die Frischdampfleitung 18 ist ein Druckme&. organ 50
angeschlossen, das ein dem jeweiligen Dampfdruck in der Leitung 18 entsprechendes
Signal einem Punkt 51 zuführt, in dem dieses Signal mit einem über eine Leitung
52 zugeführten Sollwertsignal verglichen wird. Das aus diesem Vergleich hervorgehende
Signal gelangt über eine Leitung 53 zu einem PI-Regler 54, der nach Maßgabe
dieses Signals einen Stellmotor 55 für einen Regelstab 56 antreibt. Je nach
der Stellung des Regelstabes 56 - es können gegebenenfalls auch mehrere solcher
Stäbe vorgesehen sein - verändert sich der Neutronenfluß im Reaktorkern und damit
die Reaktorleistung. Auf diese Art der Regelung der Reaktorleistung ist die Erfindung
nicht beschränkt; die Leistung kann auch in Abhängigkeit anderer Größen geregelt
werden.
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Zum Regeln der Austrittstemperatur des Kühlmittels aus dem Reaktor
ist an der Leitung 11 ein Temperaturfühler 60 vorgesehen, der ein der jeweiligen
Kühlmitteltemperatur entsprechendes Signal einem Punkt 61 zuführt, in dem ein Vergleich
dieses Signals mit einem über eine Leitung 62 zugeführten Sollwertsignal stattfindet.
Das aus dem Vergleich resultierende Signal gelangt über eine Leitung 63 zu einem
PI-Regler 64, der entsprechend diesem Signal die Fördermenge des Gebläses
14 verändert, z. B. durch Drehzahlverstellung. Auch auf diese Art der Temperaturregelung
ist die Erfindung nicht beschränkt; es können auch andere Größen dafür verwendet
werden.
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An der Frischdampfleitung 18 ist ein Temperaturfühler 19 angebracht,
der auf eine Steuerglocke 20 wirkt. Diese Glocke ist mit einem Druckmittelzufluß
und einem Druckmittelabfluß versehen und über eine
Leitung 24 mit
einem Steuerschieber 25 verbunden, der das eine Integrationsorgan der Arbeitsmittelzufuhrregelvorrichtung
bildet. In der Glocke 20 werden der Dampftemperatur in der Leitung 18 entsprechende
Drucksignale erzeugt und über die Leitung 24 zum Steuerschieber 25 geleitet, dessen
Kolben 26 in der gezeichneten Stellung, die dem Normalzustand der Anlage entspricht,
an Anschlägen 26' des Steuerschiebergehäuses anliegt. Außerdem stützt sich auf dieser
Seite auf dem Kolben 26 eine Feder 27 ab, deren Kraft mit Hilfe einer über ein Handrad
28 verstellbaren Gewindespindel veränderbar ist. Die Kraft der Feder 27 wirkt dem
Drucksignal in der Leitung 24 entgegen. Der Steuerschieber 25 ist über zwei Leitungen
29 mit einem Servomotor 30 verbunden, in dem sich ein Kolben 31 befindet, der über
eine Kolbenstange 32 ein Ventil 16 in der Speiseleitung 1.5 betätigt.
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Auch in der Leitung 13, die das im Dampferzeuger 12 abgekühlte
Reaktorkühlmittel führt, ist ein Temperaturfühler angebracht, der mit 39 bezeichnet
ist und gleich aufgebaut ist wie der Fühler 19 an der Frischdampfleitung 18. Der
Fühler 39 wirkt auf eine Steuerglocke 40, in der der Temperatur des Kühlmittels
entsprechende Signale erzeugt werden, die über eine Leitung 44 einem Steuerschieber
45 zugeführt werden, der das andere Integrationsorgan der Arbeitsmittelzufuhrregelvorrichtung
bildet. Auch bei diesem Steuerschieber 45 stützt sich auf dessen Kolben 46 auf der
dem Drucksignal 44 entgegengesetzten Seite eine Feder 47 ab, deren Kraft über ein
Handrad 48 mit der Gewindespindel veränderbar ist. In der gezeichneten Stellung
sitzt der Kolben 46 auf einem Anschlag 46'. Der Steuerschieber 45 ist über zwei
Leitungen 49 mit dem Servomotor 30 verbunden.
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Wird der Dampferzeuger 12 überspeist, d. h., bekommt er eine im Vergleich
zum Wärmeangebot zu große Arbeitsmittelmenge, so sinkt die Dampftemperatur in der
Leitung 18, und die Kraft der Feder 27 überwiegt gegenüber dem Drucksignal in der
Leitung 24, so daß der Steuerschieberkolben 26 angehoben wird. Dadurch gelangt Druckmittel
oberhalb des Kolbens 31 in den Servomotor 30, woraufhin der Kolben 31 abwärts
gedrückt und der Öffnungsquerschnitt des Ventils 16 verkleinert wird, und zwar so
lange, bis die Dampftemperatur in der Leitung 18 wieder dem am Handrad 28 eingestellten
Grenzwert entspricht. Der Kolben 26 steht dann wieder am Anschlag 26' an. Während
dieses Vorganges hat sich der Steuerschieberkolben 46 nicht bewegt.
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Wird dagegen der Dampferzeuger 12 unterspeist, d. h., die ihm zugeführte
Speisemenge ist im Vergleich zur angebotenen Wärmemenge zu klein, so steigt die
Dampftemperatur in der Leitung 18, und das Drucksignal in der Leitung 24
wird größer; der Steuerschieberkolben 26 bleibt jedoch in seiner Lage am Anschlag
26'. Mit dem Steigen der Dampftemperatur in der Leitung 18 steigt auch die Temperatur
des Kühlmittels in der Leitung 13, so daß das Drucksignal in der Leitung 44 größer
wird. Übersteigt dieses Drucksignal die Kraft der Feder 47, so wird der Steuerschieberkolben
46 angehoben, und es gelangt Druckmittel unterhalb des Kolbens 31 in den Servomotor
30. Der Kolben 31 wird angehoben und damit der Öffnungsquerschnitt des Ventils 16
vergrößert, und zwar so lange, bis die Temperatur des Kühlmittels in der Leitung
13 den am Handrad 48 eingestellten Grenzwert erreicht. Der Kolben 46 ruht dann wieder
auf dem Anschlag 46'.
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Bei der beschriebenen Anordnung nach F i g. 2 müssen die mittels der
Handräder 28 und 48 eingestellten Grenzwerte einen so großen Abstand voneinander
haben, daß die Steuerschieberkolben 26 und 46 sich nicht gleichzeitig anheben können.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Grenzwerte bei veränderten Lastbedingungen
der Anlage neu einzustellen. Es kann in diesem Fall zweckmäßig sein, die Grenzwerte
von einem Laststeuergerät aus einzustellen.
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Bei der Anlage nach F i g. 3 sind der Reaktor und der Dampferzeuger
in gleicher Weise aufgebaut wie bei der Anlage nach F i g. 2. Es sind dagegen außer
dem Temperaturfühler 19 an der Frischdampfleitung 18 zwei weitere Temperaturfühler
70 und 71 an zwei Stellen des Rohrsystems 17 angeschlossen, und zwar im Bereich
des überhitzten Dampfes. Die Ausgänge der drei Temperaturfühler vereinigen sich
in einem Punkt 72, in dem die Summe der Ausgangssignale der Fühler gebildet wird.
Diese Signalsumme wird in einem Punkt 73 mit einem über eine Signalleitung 74 zugeführten
Sollwert verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleiches wird als Drucksignal über eine
Signalleitung 75 einem Steuerschieber 76 als Integrationsorgan der Arbeitsmittelzufuhrregelvorrichtung
zugeleitet. Von dem Steuerschieber führen zwei Druckmittelleitungen 77 zu einem
Servomotor 78, in dem sich ein Kolben 79 befindet, der das Ventil 16 in der Speiseleitung
15 betätigt.
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Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 befindet sich an der
das abgekühlte Kühlmittel aufnehmenden Leitung 13 ein Temperaturfühler 39, dessen
Ausgangssignal in einem Punkt 80 mit einem über eine Leitung 81 zugeführten
Sollwert verglichen wird. Das aus diesem Vergleich hervorgehende Signal wird als
Drucksignal über eine Leitung 82 ebenfalls dem Steuerschieber 76 zugeführt. Die
Drucksignale in den Leitungen 75 und 82 wirken im Sinne einer Summenbildung auf
die entgegengesetzten Stirnflächen des Steuerschieberkolbens 85, auf denen sich
außerdem je eine Feder 83 und 84 abstützt. Je nach der Lage des Kolbens 85 wird
die Druckmittelzu- und -abfuhr zum bzw. vom Servomotor 78 beeinflußt.
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Wird der Dampferzeuger 12 überspeist, so wandert der Verdampfungsendpunkt
im Rohrsystem 17 zunächst etwas in Richtung zum Dampfaustritt, und die von den Temperaturfühlern
71, 70 und 19 ermittelten Temperaturen sinken. Das Drucksignal in der Leitung 75
wird kleiner, und der Steuerschieberkolben 85 wird in F i g. 3 nach rechts verschoben,
wodurch dem Druckmittel der Weg unter dem Kolben 79 des Servomotors 78 freigegeben
wird. Der Kolben 79 wird etwas angehoben und dadurch der öffnungsquerschnitt des
Ventils 16 verkleinert, und zwar so lange, bis der Kolben 85 wieder seine Mittellage
erreicht hat. Die mit dem Überspeisen zugleich auftretende geringe Temperaturabsenkung
des Kühlmittels in der Leitung 13 wirkt sich im gleichen Sinne aus wie die Temperaturverringerung
im überhitzerteil, jedoch in wesentlich geringerem Maß.
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Beim Unterspeisen des Dampferzeugers 12 steigt die Temperatur des
Kühlmittels in der Leitung 13, was hier zur Folge hat, daß das Drucksignal in der
Leitung 82 kleiner wird und der Steuerschieberkolben 85 dementsprechend in F i g.
3 nach links verschoben wird. Dieses Verschieben wird in geringem Maß unterstützt
vom Drucksignal in der Leitung 7Z.
das wegen der gleichzeitigen
Temperaturerhöhung an den Temperaturfühlern 71, 70 und 19 etwas größer
geworden ist. Es gelangt nun mehr Druckmittel über den Kolben 79 des Servomotors
78, wodurch der Öffnungsquerschnitt des Ventils 16 so lange größer
wird, bis der Kolben 85 wieder in die Mittellage zurückgekehrt ist.
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An Stelle der beiden über die Leitungen 74 und 81
zugeführten
Sollwerte kann nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch ein einziger
Sollwert zugeführt werden, der z. B. von einem Laststeuergerät kommen kann und dessen
Größe in Abhängigkeit der Last veränderlich ist. Die von den Temperaturfühlern
71, 70 und 19 kommenden Signale einerseits und das vom Temperaturfühler
39 kommende Signal andererseits werden dann algebraisch addiert, indem das absolute
Ausgangssignal des Temperaturfühlers 39 von der Summe der absoluten Ausgangssighale
der Temperaturfühler 71, 70 und 19 subtrahiert wird, und das aus dieser algebraischen
Addition resultierende Drucksignal wird dem Steuerschieber 76 zugeführt und mit
dem einzigen Sollwert verglichen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen hydraulischen Mittel
beschränkt; vielmehr kann sie auch mit pneumatischen oder elektrischen Mitteln oder
mit Kombinationen dieser an sich bekannten Mittel verwirklicht werden.